汽车覆盖件数值模拟

1、实用标准文案汽车覆盖件数值模拟作者：陈蔚指导教师：徐虹精彩文档实用标准文案汽车覆盖件数值模拟摘要 基于改进的有限元逆算法和动力显示算法开发的面向覆 盖件设计和模具工艺设计的快速辅助工艺分析软件 FASTAMP。该软 件计算精度高，计算速度快，适合于分析覆盖件设计过程中可能出现 的各种潜在缺陷，优化冲压工艺和模具设计，改变了传统的工艺和设 计过程中，主要依靠简单的解析理论，依靠经验和类比的设计方法， 可大幅提高覆盖件与模具设计制造的速率， 降低生产成本，缩短开发 周期，提高产品质量。1 ,前言金属板料成形具有效率高、性能好、加工成本低、材料利用率高的 特点，广泛运用于汽车、航天、造船和家电等工业

2、生产领域，特别是 在汽车工业中。汽车工业是国民经济的支柱产业， 汽车覆盖件是汽车 产品最重要的组成部分之一，它包括车身和底盘所有用板料冲压而成 的冲压件，在制造费用上，汽车覆盖件则占整个汽车制造费用的 70% 以上。大型汽车覆盖件的冲压技术是汽车（尤其是轿车）制造业的核 心技术之一，一直是制约我国汽车制造业发展的瓶颈环节， 虽然改革 开放以来，我国已能生产奥迪、捷达、大众、富康等轿车，但这些轿精彩文档实用标准文案车的覆盖件生产模具和冲压生产关键技术几乎全部都是依靠外国进 口。即使是我国自主开发的车型，特别是轻型车，大部分覆盖件模具 和冲压生产技术也是进口的。因此研究汽车覆盖件成形问题是非常有

3、必要的，具有广泛的应用价值和市场潜力。汽车覆盖件冲压产品的最终成形，往往需要经过多道工序，由此必 然导致零件的材料性能、厚度分布、残余应力等信息带有了许多不可 预知性，这样就对当前工序的成型控制和模具优化设计带来很大困 难。不但延长了产品研制周期，增加了生产成本，而且常常造成模具 的报废，浪费大量人力和资金。同时由于汽车工业的发展和产量的提 高，迫使各生产厂商大量采用多工序成形技术， 以满足流水线生产作 业的技术需要。这样，多工序生产所带来的技术问题日益突出，因此 研发覆盖件全工序成形模拟系统显得日趋重要。经过多年理论研究与软件开发，华中科技大学模具技术实验室在板 料成形模拟的动力显示算法和有

4、限元逆算法方面取得成果，开发出了板料成形快速仿真软件FASTAMP。其改进的逆算法模块综合考虑了 摩擦、压边力、拉伸筋等工艺参数对冲压成形的影响；可以快速、精 确的模拟零件或冲压件的毛皮尺寸以及工艺冲孔、工艺切口的尺寸和位置，是面向产品设计和模具工艺设计的辅助分析工具； 其动力显示 算法可以模拟覆盖件成形过程中的起皱，破裂以及成形后的回弹现 象，通过成形极限图（FLD）和起皱极限图（WLD）进行工艺性分析， 是面向模具工艺设计的校核工具。精彩文档实用标准文案2.1 汽车覆盖件成型模拟的发展概况板料成形数值模拟始于60年代。这些早期研究采用的不是有限元 法，而是有限差分法，所分析的问题都是像园板

5、液压胀形、半球形冲 头或平地冲头下的胀形和拉延成形这样较简单的问题。从数值模拟的角度来看，这三个问题分别代表了模拟的不同难度。 液压胀形不包含 模具问题，只是通常的大变形塑性力学问题； 对于冲头胀形必须考虑 冲头与板材之间的接触摩擦，并且接触是随冲头的行程变化；对于拉 延成形还得考虑板材在凹模与压边圈之间的滑动。采用有限元法的板料成形数值模拟始于 70年代。采用弹塑性增量 理论研究了园板液压胀形问题，也采用该模型研究了半球形冲头和平 底冲头下的胀形和拉延问题，但对于其接触和摩擦的考虑过于粗糙， 在其研究中，假设接触是粘着性的，即只要板材与模具接触之后即粘 着与模具之上。美国三大汽车公司从20世

6、纪80年代就开始普遍应用CAE技术来 进行车身的开发和制造。福特公司针对车身覆盖件的特点，经过长期 研究于1981年完成汽车覆盖件的行李箱盖冲压成形 CAE仿真，接 着又完成轿车前翼子板冲压成形 CAE仿真，在薄板成形数值仿真研 究基础上，开创了汽车覆盖件冲压成形仿真分析应用领域研究。随着计算机科技的飞速发展和有限元方法的成熟，在汽车工业应用需求的推动下，板材成形过程的计算机仿真迎来了蓬勃的发展时期。汽车覆盖件冲压成形仿真已经成为相当成熟的工业应用技术，人们不但能够利用CAE技术仿真复杂的三维汽车覆盖件的成形，而且能够精彩文档实用标准文案利用仿真结果指导实际生产。我国在板料成形数值模拟方面起步

7、较晚，但正在迎头赶上，从20世纪80年代开始有学者在板料成形数值模拟方面做了一些工作。经 过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面取得了很大进展， 但主 要集中在部分高校里。北京航空航天大学的熊火轮采用 ADINA程序, 模拟了宽板拉延、液压胀形及汽车暖风罩的成形过程。 华中理工大学 的董湘怀采用薄膜三角形单元，建立了用于板材成形分析的有限元模 型，用“弹性边界层”的方法处理接触边界，并用独立开发的弹塑性 有限源程序对盒形零件和机油收集器的成形过程进行了分析。哈尔滨工业大学的张凯峰采用刚粘塑性本构关系， 开发了粘塑性板壳成形有 限元分析程序，并已经得到工业应用。湖南大学的李光耀在国家自然 科学

8、基金的资助下，开展了冲压成形过程的动力显示有限元分析程序 的开发和研究。吉林大学胡平课题组在前人工作的基础上， 建立了能 描述由正交法则向非正交法则光滑过度的弹塑性有限变形的模拟流 动理论，用这个理论模拟了园板的胀形，圆筒件、盒形件、锥形件和 红旗488轿车油底壳的拉延过程，模拟了盒形件拉延过程中法兰部 分的起皱，锥形件拉延过程中侧壁的起皱，并用空单元技术形象的模 拟了破裂过程。华中科技大学的柳玉起采用有限元逆算法和动力显示 算法开发了 FASTAMP软件，该软件计算精度高，计算速度快，适合 于分析覆盖件设计过程中可能出现的各种潜在缺陷，优化冲压工艺和 模具设计，改变了传统的工艺和设计过程中，

9、 主要依靠简单的解析理 论，依靠经验和类比的设计方法，可大幅提高覆盖件与模具设计制造精彩文档实用标准文案的速率，降低生产成本，缩短开发周期，提高产品质量。现在，许多汽车制造企业都有覆盖件冲压成形仿真模拟系统，例如福特公司采用MTL-FRM软件，上海大众和东风公司采用Autoform 软件，丰田采用ITAS-3D软件，通用GM、本田、福特和克莱斯勒 采用LS-DYNA3D软件，宝马和菲亚特采用 PAM-Stamp 软件，一 汽、长安、南京汽车采用 DYNAFORM 软件，奥迪采用INDEED软 件等。这表明冲压成形仿真技术已广泛运用于汽车工业，成为汽车工业降低成本、提高质量和市场竞争力的重要手段

10、。2.2 汽车覆盖件全工序成形模拟研究状况经过近三十年的数值模拟仿真研究，人们已经能够成功的对覆盖件 冲压成形过程进行仿真，从而指导设计和生产，降低成本，提高企业 的市场竞争力。但是由于汽车覆盖件本身的复杂性， 覆盖件冲压成形 的影响因素极其复杂，因而覆盖件冲压成形问题的研究中依然存在很 多问题。目前，板料成形数值模拟技术在单工序成形模拟领域已经趋步成 熟，多工序成形模拟技术研究也逐步从实验室走向应用阶段。目前对于大多数汽车厂和模具企业，仿真仅局限于拉深阶段。但是在有些阶 段，一些成形缺陷往往出现在拉深之后的工序，因此对汽车覆盖件完整的成形过程（包括拉深、修边、翻边、卷边、精整等工序）进行仿

11、真就很有意义，它便于对可能出现的缺陷进行预报， 便于研究成形过 程对汽车覆盖件抗凸性和抗疲劳性的影响。目前，在金属板料冲压成形模拟领域最为著名的专业软件有瑞士的精彩文档实用标准文案AUTOFORM ,它采用静力隐式算法进行求解，采用了全拉格朗日理论，由于对壳单元面内和横向刚度都进行了解耦， 消除了刚度矩阵的病态，保证了计算的收敛性，求解速度很快。该软件可自动进行网格 剖分，自动生成和交互修改压料面，工艺补充部分，拉伸筋，凹模入 口线，板坯材料等，可以自由选择调整冲压方向，产生工艺切口，模拟重力作用、压边、成形、修边、回弹等全工序或工艺过程。如图 1 为其多工序成形模拟过程。图11 AUTOFO

12、RM 名工序成，历模以ETA/DYNAFORM 是由美国ETA公司和LSTC公司共同开发的用 于板料成形模拟的专用软件包，求解器是 LS-DYNA3D和MSTEP。 它提供了一套完整可行的板料成形数字化解决方案，精确预测冲压成 形过程中的金属成形问题（开裂、起皱、减薄、划痕和回弹等） ；快 速设计模具，材料成本估算，快速分析产品的成形性等。DYNAFORM 是一个完整的前后处理和求解软件包，包括 CAD接口、前处理、求 解器及后处理等分析和设计工具，可以在各主流工作站上运行，将精彩文档实用标准文案DYNAFORM和目前高端的、低成本的硬件结合起来，大大缩短了模具设计与开发的周期，降低了开发成本

13、，提高产品质量。具全工序成形模拟过程如图1.2所示。（1）一次地延由 二状拉量向 划边 艇施塔国1 2 DYNAFORM的名IJT成模拟过一PAM-STAMP软件是由世界著名仿真模拟和制造解决方案供应商 法国ESI集团推出的集成化冲压模拟解决方案。 该方案涵盖了从模具 设计的可行性研究，到设计验证，直至制造工艺优化的整个制造链。 PAM-STAMP的主要功能包括模面生成与修改模块，快速分析法成 形分析模块，精密成形分析模块，回弹与刚度分析模块。所有的模块 都集成在统一的操作环境中。其中，紧密成形分析模块为用户提供了 实际冲压工业条件下，如考虑重力影响、压边过程、多步成形、各种 拉延、切边、翻边

14、、和回弹等复杂情况下可视化的冲压过程模拟，全 面实现了汽车覆盖件成形的全工序全流程仿真。2.3 汽车覆盖件全工序成形模拟的技术难点从上诉三大软件分析来看，汽车覆盖件全工序仿真已成为板料成形 仿真的发展方向，是现阶段的热点问题。总的来说，目前国际成熟的 商品化软件虽然陆续提供了板料成形全工序模拟的解决方案，但功能不够全面，具都存在或多或少的缺点，主要有以下几点：第一，前处精彩文档实用标准文案理建模时间过长，如DYNAFORM不同工序间还需要用户的手工设 置和干预，消耗了大量的时间。第二，求解精度还有待提高，如 AUTOFORM采用的隐式算法和简化的等效弯曲三角形膜单元，计算精度较差。而DYNAF

15、ORM 软件由于没有网格减密技术，在用时方 面DYNAFORM 软件计算开销时间最长。第三，没有基于完全的实 际冲压工艺流程，虽然可以模拟全部的工序，但是实际的工艺流程体 现的不完全。如 DYNAFORM 无法模拟拉延成形过程中的工艺切口 问题。第四，操作过于复杂，如PAMSTAMP设置过程比较繁琐，易 用性较差，界面不够美观。3.FASTAMP 软件3.1 FASTAMP 软件的应用FASTAMP软件经过大量的工程应用和实验结果的比较，证明了模 拟结果是可靠的，可以应用于汽车覆盖件产品项目管理、设计分析、 可制造性分析与工艺优化设计。(1)面向覆盖件项目管理FASTAMP软件可以在非常短的时

16、间内对覆盖件进行可成形性分析，项目管理者可以估算模具制造的难 度，估算项目成本和周期，降低项目风险。如果对每个零件都进行可 成形性分析，就可预估其制造工艺的难度，更好的掌握项目的进度。项目管理者可以根据产品制造的难度选择合适的模具制造商，协调与模具制造商之间的关系把握整体项目开发周期，控制项目的质量。 模具制造商也可预估产品制造难度与毛坯尺寸，比较准确的估算模具精彩文档实用标准文案制造成本和周期，使其在项目竞争中处于更有利的地位。(2)面向覆盖件产品设计传统产品设计主要依靠简单的解析理论，依靠经验和类比的方法。这种设计方法，即使对经验丰富的设计 人员来说，也只能提供一种定性的估算，很难避免产品

17、设计中潜在的 缺陷。FASTAMP面向产品设计人员，在钺金零件设计过程中，可以定量 的快速分析局部或整体的工艺性， 发现产品设计中的潜在缺陷，减少 后续设计工艺和模具制造过程中的困难。 在零件设计过程中考虑其可 制造性，在考虑产品外观的同时，将产品设计与工艺设计有机的联系 起来。图1a为一汽车支架零件，通过FASTAMP软件分析可以发现 其在A、B、C三个区域存在明显的起皱现象，其中 A区通过适当工 艺补充能够比较容易克服，B区和C区的起皱比较难以消除。根据 FASTAMP增量法的成形过程模拟可以发现 (图1b ) B区的起皱无法 消除，这与实际结果是一致的。(3)用于产品选材 冲压工艺和冲压

18、模具结构设计，不仅冲压件精彩文档实用标准文案的结构形状有关，而且和选用的板材直接相关。合理的产品结构可以 降低工艺设计的难度，正确的选用板材也是重要的因素。FASTAMP可以用在产品设计中确定板材类型，将选材与产品设计 和工艺设计联系起来，用户可以根据所选板材类型合理的设计产品形 状，也可以根据产品形状结构选择板材类型。如图 2a和2b所示， 分别采用ST16和08A1S板材，模拟汽车发动机罩内板的成形性。由 于两种材料性能差别较大，模拟结果表明采用08A1S板材的破裂趋势比ST16严重得多，说明08A1S板材不能满足该产品的成形性需求， 这与实验结果也是一致的。(4)面向工艺设计 FASTAMP软件面向汽车覆盖件工艺设计， 建立了精确的工艺参数和工艺条件数值化模型，可以精确的计算毛坯尺寸；快速的模拟覆盖件成形后的起皱、破裂、成形不足等缺陷；可 优化压边力、拉伸筋、摩擦等工艺参数；校核压料面和工艺补充面是 否合理；从而为汽车覆盖件工艺设计和优化提供了全面的解决方案。图3a所示为汽车地板的产品可成形性分析结果， 从FLD中可以发精彩文档实用标准文案现该零件在台阶处厚度减薄很严重， 在其他区域还有起皱趋势。工艺 设计时，避免这些不严重的起皱是比较容易的， 但是克服起皱时由于 增大压边力，必然会进一步增大台阶处的